DE10392871T5

DE10392871T5 - Degassed PEM fuel cell system

Info

Publication number: DE10392871T5
Application number: DE10392871T
Authority: DE
Inventors: Albert P. Vernon Grasso
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-07-14
Also published as: US6656622B2; US20020164512A1; AU2003253738A1; WO2004004046A1; JP2005531124A

Abstract

Kühlmittelmanagementsystem für ein Polymerelektrolytmembran-(PEM)Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem (10), aufweisend:
a. eine PEM-Brennstoffzellenstapelanordnung (12) mit einem Anodenbereich (18) zum Aufnahmen von Versorgung mit Brennstoffreaktant, einen Kathodenbereich (20) zum Aufnahmen von Versorgung mit Oxidationsmittelreaktant und einen Kühler (22) mit einem Einlass (27) zum Aufnehmen einer Versorgung von flüssigem Kühlmittel und einem Auslass (29) zum Ausstoßen des Kühlmittels; und
b. einen Kühlmittelkreislauf (14), welcher mit dem Kühlereinlass (27) und -auslass (29) verbunden ist, um flüssiges Kühlmittel zu, durch und von dem Kühler (22) der Zellenstapelanordnung zu leiten, wobei das flüssige Kühlmittel mitgeschlepptes und/oder darin gelöstes Gas während des Strömens durch den Kühler (22) der Zellenstapelanordnung aufnimmt und somit ein Gas-Flüssigkeitskühlmittelgemisch bildet, wobei der Kühlmittelkreislauf (14) aufweist:
i. eine Flüssigkeitspumpe (24; 24') mit einem Einlass (23; 23') und einem Auslass (25; 25'), zum Erzeugen eines über die Pumpe gehenden Druckanstiegs, und um im Wesentlichen nur flüssiges Kühlmittel da...A coolant management system for a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell power generation system (10), comprising:
a. a PEM fuel cell stack assembly (12) having an anode portion (18) for receiving a supply of fuel reactant, a cathode portion (20) for receiving supply of oxidant reactant, and a cooler (22) having an inlet (27) for receiving a supply of liquid coolant and an outlet (29) for discharging the coolant; and
b. a coolant circuit (14) connected to the radiator inlet (27) and outlet (29) for directing liquid coolant to, through and from the radiator (22) of the cell stack assembly, the liquid coolant entrained and / or dissolved therein Gas during flow through the radiator (22) of the cell stack assembly and thus forms a gas-liquid coolant mixture, the coolant circuit (14) comprising:
i. a liquid pump (24; 24 ') having an inlet (23; 23') and an outlet (25; 25 ') for generating an increase in pressure across the pump and substantially only liquid coolant therebetween;

Description

Technisches Gebiettechnical area

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Kühlmittelmanagementsystem in einem Polymerelektrolytmembran-(PEM) Brennstoffzellensystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die vorteilhafte Verwendung von Unterdruckvorrichtungen und insbesondere von einem Ejektor im Kühlmittelströmungskreislauf des Brennstoffzellensystems.These The invention relates to a method and a coolant management system in a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell system. In particular, the invention relates to the advantageous use of negative pressure devices and in particular of an ejector in the Coolant flow circuit of the fuel cell system.

Stand der TechnikState of technology

Beim Design und Betrieb von Brennstoffzellensystemen und insbesondere bei Brennstoffzellensystemen mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM) ist das Management des Kühlmittels, typischerweise Wasser, wichtig und stellt eine Herausforderung dar. Die Drücke, Strömungsraten und Volumina, wie auch die Qualität des Wassers im Kühlmittelströmungskreislauf eines PEM-Brennstoffzellensystems sind entscheidend für den fortgesetzten, effizienten Betrieb des Systems, weil das Kühlmittelsystem der Schlüssel zum Aufrechterhalten des Entfernens von Produktwasser vom Brennstoffzellenstapel ist, während des ebenfalls gewährleistet, dass dieser Membranelektrolyt nicht austrocknet. Die Anwesenheit von nicht kondensierbarem (unter normalen Betriebsbedingungen nicht ohne weiteres kondensierbarem) Gas im Kühlmittelwasser erzeugt Wassermanagementprobleme, welche angegangen werden müssen. In verschiedenen Brennstoffzellensystemen aus dem Stand der Technik wird Wasser von Reaktantengasen im Brennstoffzellenstapel isoliert, wodurch ein Verschleppen/Lösen der Gase in dem Kühlmittel und die verschiedenen damit verbundenen Probleme oder Einschränkungen minimiert werden. In PEM-Brennstoff zellenstapeln, welche Wassertransferplatten (WTP) zwischen benachbarten Brennstoffzellen im Stapel als Kühlmittelverteilungsmedium verwenden, kommen die im System vorhandenen Gase in engen Kontakt mit dem Kühlmittelwasser und werden ohne weiteres verschleppt und/oder darin gelöst. Daher muss das Kühlmittelmanagementsystem die Zirkulation von Fluiden in zwei Phasen bzw. Zuständen, d.h. gasförmig und flüssig, bewältigen. Dies kann; und wurde, mit Volumentstromvorrichtungen gemacht werden, z.B. eine oder mehrere Pumpen der Verdrängungsbauart. Die Pumpen sind jedoch relativ komplex und kostspielig. Außerdem ist es ferner erwünscht, an irgendeinem Punkt die verschleppten nicht kondensierbaren Gase vom rezirkulierenden Kühlmittel zu trennen. Das Entfernen mancher Gase, z.B. Wasserstoff (H₂) und/oder Kohlendioxid (CO₂) aus dem Kühlmittel ist essenziell, um ein Erhöhen ihrer Konzentration im Kühlungssystem zu vermeiden. Daher können manche Trennungs- oder Entgasungsmechanismen tatsächlich zur Sättigung des Kühlmittels mit Luft beitragen.In the design and operation of fuel cell systems, and in particular fuel cell systems with a polymer electrolyte membrane (PEM), the management of the coolant, typically water, is important and challenging. The pressures, flow rates, and volumes, as well as the quality of the water in the coolant flow loop of a PEM Fuel cell systems are critical to the continued, efficient operation of the system because the coolant system is the key to maintaining the removal of product water from the fuel cell stack, while also ensuring that this membrane electrolyte does not dry out. The presence of non-condensable (not readily condensable under normal operating conditions) gas in the coolant water creates water management problems which must be addressed. In various prior art fuel cell systems, water is isolated from reactant gases in the fuel cell stack, thereby minimizing carry over / release of the gases in the coolant and the various associated problems or limitations. Cell stacking in PEM fuel using water transfer plates (WTP) between adjacent fuel cells in the stack as a coolant distribution medium, the gases present in the system come into close contact with the coolant water and are readily entrained and / or dissolved therein. Therefore, the coolant management system must cope with the circulation of fluids in two phases, ie gaseous and liquid. This can; and has been made with volume flow devices, eg one or more displacement type pumps. However, the pumps are relatively complex and expensive. In addition, it is further desirable at some point to separate the entrained non-condensable gases from the recirculating coolant. The removal of some gases, eg hydrogen (H ₂ ) and / or carbon dioxide (CO ₂ ) from the coolant is essential to avoid increasing their concentration in the cooling system. Therefore, some separation or degassing mechanisms may actually contribute to the saturation of the refrigerant with air.

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Kühlmittelmanagementsystem in einem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen. Es ist ein weiteres Ziel, ein solches Kühlmittelmanagementsystem auf eine Weise zur Verfügung zu stellen, welche weniger komplex und weniger kostspielig als bisherige Systeme ist.Accordingly It is an object of the invention to provide an improved coolant management system in a polymer electrolyte membrane fuel cell system put. It is another object to have such a coolant management system a way available to provide, which are less complex and less expensive than previous systems is.

Beschreibung der Erfindungdescription the invention

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und ein System zum Management von Wasserkühlmittel in einer PEM-Brennstoffzelle, welches Wassertransportplatten (WTP) umfasst. Die Erfindung umfasst die Verwendung einer Gas-Flüssigkeitstrennungseinrichtung mit einer Unterdruckvorrichtung in einem PEM-Brennstoffzellensystem des Typs, bei welchem nicht kondensierbares Gas ohne weiteres im zirkulierenden Kühlmittel verschleppt und/oder gelöst wird, teilweise aufgrund dessen Kontakts mit dem WTP. Die Unterdruckvorrichtung (bzw. Vakuumvorrichtung) in einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Unterdruckpumpe, z.B. ein Ejektor, zum Transportieren von Gas oder einer Gas-Flüssigkeitsmischung durch Sog. Die Gas-Flüssigkeitstrennung umfasst mindestens den effizienten Transport des Gases und vorzugsweise auch die Verwendung einer Trennungs- und/oder Speichervorrichtung um die Gas-Flüssigkeitstrennung und Speicherung des flüssigen Kühlmittels voranzutreiben. Ferner bietet eine relativ einfache und kostengünstige Kühlmittelpumpe, z.B. eine Zentrifugalpumpe oder ähnliche dynamische Pumpe, die Zirkulationsbewegungskraft und den treibenden Druck für das Kühlmittelwasser im Kühlmittelsystem.The The present invention includes a method and system for management of water coolant in a PEM fuel cell containing water transport plates (WTP) includes. The invention includes the use of a gas-liquid separation device with a vacuum device in a PEM fuel cell system of the type in which non-condensable gas is readily available in the circulating coolant abducted and / or resolved partly due to its contact with the WTP. The vacuum device (or vacuum device) in a preferred embodiment is a vacuum pump, e.g. an ejector, for transporting Gas or a gas-liquid mixture by suction. The gas-liquid separation includes at least the efficient transport of the gas and preferably also the use of a separation and / or storage device to the gas-liquid separation and storage of the liquid refrigerant advance. Furthermore, a relatively simple and inexpensive coolant pump, e.g. a centrifugal pump or the like dynamic pump, the circulation motor and the driving Pressure for that Coolant Water in the coolant system.

Zusätzlich zu den Anoden- und Kathodenreaktantenkanälen in und für eine Brennstoffzellenanordnung (Fuel Cell Assembly, CSA), umfasst die Brennstoffzellenanordnung ferner einen Kühlmittelkanal bzw. Kühler, welcher die Wassertransferplatten enthält. Gas, z.B. Luft, Wasserstoff, Kohlendioxid, etc., welches in flüssigem Kühlmittel beim Strömen an dem WTP verschleppt und/oder gelöst wird, wird von Kühlmittel mit Hilfe einer Unterdruckvorrichtung, z.B. einem Ejektor, und weiteren Trennungs-/Speichereinrichtungen entfernt. Der Ausdruck "Gas" soll, wie hier verwendet, ein normalerweise nicht kondensierbares Gas bedeuten, welches in Kühlmittel verschleppt und/oder gelöst wurde, im Gegensatz zu Dampf, welcher kondensierbar ist. Die Trennungs-/Speichereinrichtung kann beispielsweise ein Zentrifugal-Separator/Speicher und/oder ein Luftfallen-(bubble trap) Separator/Speicher sein.In addition to the anode and cathode reactant channels in and for a fuel cell assembly (Fuel Cell Assembly, CSA), includes the fuel cell assembly Furthermore, a coolant channel or cooler, which contains the water transfer plates. Gas, e.g. Air, hydrogen, Carbon dioxide, etc., which in liquid coolant when flowing to the WTP abducted and / or resolved Will be, will of coolant by means of a vacuum device, e.g. an ejector, and more Separation / storage facilities removed. The term "gas" is intended, as used herein, mean a normally non-condensable gas, which in coolant abducted and / or resolved was, in contrast to steam, which is condensable. The separation / storage device For example, a centrifugal separator / storage and / or an air trap (bubble trap) separator / storage.

Der Ejektor umfasst einen primären (bzw. Bewegungs-)Einlass, einen sekundären (bzw. Ansaug-)Einlass und einen Ausstoßausgang (bzw. Auslass). Kühlmittelwasser von der Kühlmittelpumpe wird zum Bewegungseinlass des Eduktors geführt. Der Bewegungseinlass des Eduktors ist mit einem Bereich des Kühlmittelkreislaufs verbunden, welcher geeignet ist, eine relative Trennung von verschleppten Gasen zu ermöglichen, so dass der Unterdruck zumindest den gasförmigen Teil zu und durch den Ejektor zieht. Ein Separator/Speicher nimmt den Ausfluss des Ejektors für weitere Gastrennung und Speicherung des flüssigen Kühlmittels auf, welches für die Rückkehr in den Kühlmittelkreislauf bestimmt ist.The ejector includes a primary (resp. Moving) inlet, a secondary (or suction) inlet and an exhaust outlet (or outlet). Coolant water from the coolant pump is led to the movement inlet of the eductor. The movement inlet of the eductor is connected to a region of the coolant circuit which is suitable for allowing relative separation of entrained gases, so that the negative pressure draws at least the gaseous part to and through the ejector. A separator / store receives the effluent from the ejector for further gas separation and storage of the liquid refrigerant intended for return to the refrigerant circuit.

In einer Ausführungsform wird ein Gas-Flüssigkeitsmischungskühlmittel durch Unterdruck durch den Ejektor gezogen und dann getrennt. Gespeichertes flüssiges Kühlmittel wird dann zur Kühlmittelpumpe geführt. In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine vorausgehende Trennung des Gases von Flüssigkeit einen Luftfallenseparator oder ähnliches, so dass der Ejektor hauptsächlich Gas von der Falle zieht. Das verbleibende flüssige Kühlmittel wird erst der Kühlmittelpumpe zugeführt und dann wird die Strömung zwischen dem Bewegungseinlass des Eduktors und dem zusätzlichen Separator/Speicher vor Rückkehr in den Kühlmittelkreislauf aufgeteilt. Das getrennte Gas, z.B. Luft, Wasserstoff, Kohlendioxid, etc., kann aus dem System entlüftet oder im Fall von Luft zur Verwendung als Oxidationsmittelreaktant zur Kathode der Zellenstapelanordnung zurückgeführt werden. Ein Entmineralisierer kann im Umgehungsrücklaufverhältnis mit der Kühlmittelpumpe angeschlossen werden, um die gewünschte Wasserqualität aufrechtzuerhalten.In an embodiment becomes a gas-liquid mixture coolant pulled by negative pressure through the ejector and then separated. stored liquid coolant then becomes the coolant pump guided. In a further embodiment includes a preliminary separation of the gas from liquid an air trap separator or the like, so that the ejector mainly Pulling gas from the trap. The remaining liquid coolant is only the coolant pump supplied and then the flow between the movement inlet of the eductor and the additional one Separator / storage before return in the coolant circuit divided up. The separated gas, e.g. Air, hydrogen, carbon dioxide, etc., can be vented from the system or in the case of air for use as an oxidant reactant be returned to the cathode of the cell stack assembly. A demineralizer can in by-pass ratio with the coolant pump be connected to the desired water quality maintain.

Die vorangehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anschaulicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, dargestellt mit den begleitenden Zeichnungen.The foregoing features and advantages of the present invention by way of the following detailed description of exemplary Embodiments, shown with the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems mit einem Kühlmittelmanagementsystem, welches in allgemeiner Übereinstimmung mit der Erfindung ist; 1 Fig. 10 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system having a coolant management system which is in general accordance with the invention;

2 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems mit einem Kühlmittelmanagementsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 2 FIG. 10 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system having a coolant management system according to an embodiment of the invention; FIG.

3 ist eine Explosionszeichnung eines in das Kühlmittelmanagementsystem der Erfindung inkorporierten Injektors; 3 Fig. 11 is an exploded view of an injector incorporated in the coolant management system of the invention;

4 ist eine Untenansicht der Oberplatte des Ejektors von 3, welche die Anordnung und Konturen der Ejektorströmungskanäle zeigt; 4 is a bottom view of the top plate of the ejector of 3 showing the arrangement and contours of the ejector flow channels;

5 ist eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Bereichs von 4, welches die Ejektorströmungskanäle detaillierter zeigt; 5 is an enlarged view of the circled area of 4 showing the ejector flow channels in more detail;

6 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems mit einem Kühlmittelmanagementsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und 6 FIG. 10 is a schematic diagram of a fuel cell power generation system including a coolant management system according to a preferred embodiment of the invention; FIG. and

7 ist ein einfaches schematisches Diagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems mit einem Kühlmittelmanagementsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche ähnlich jener von 6 ist, und bietet beispielhafte Druckzuwächse/Verluste rund um den Kühlmittelkreislauf. 7 FIG. 10 is a simple schematic diagram of a fuel cell power generation system having a coolant management system according to an embodiment of the invention similar to that of FIG 6 and provides exemplary pressure gains / losses around the coolant loop.

Beste Art der Ausführung der ErfindungBest kind the execution the invention

Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, wo schematisch ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem dargestellt ist, allgemein bezeichnet mit dem Bezugszeichen 10, einschließlich einer oder mehrerer Brennstoffzellenstapelanordnungen (Cell Stack Assemblies, CSA) 12 und eines allgemein mit 14 bezeichneten Kühmittelmanagementsystems. Die CSA 12 ist von dem Typ, welcher eine Polymerelektrolytmembran 16 verwendet, PEM-Zelle genannt, genauer beschrieben im Reiser erteilten US Patent 5 700 595, welches durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen wird. Die Membran 16 ist zwischen einem Anoden-Brennstoffreaktanten-Strömungsfeldbereich 18 und einem Kathoden-Oxidationsmittelreaktanten-Strömungsfeldbereich 20 angeordnet. Wasserstoffreiches Brennstoffreaktantengas wird zum Anodenbereich 18 über eine Leitung 15, welche das Brennstoffsteuerungssystem 17 enthält, geführt. Ein Oxidationsmittel, z.B. Luft, wird zum Kathodenbereich 20 aus einer oder mehreren Quellen, einschließlich beispielsweise über die Rückführungsleitung 19, was im Folgenden detaillierter beschrieben wird.It is going on first 1 Reference is made where schematically a fuel cell power generation system is shown, generally designated by the reference numeral 10 Including One or More Cell Stack Assemblies (CSA) 12 and a general with 14 designated coolant management system. The CSA 12 is of the type which is a polymer electrolyte membrane 16 used, called PEM cell, more specifically, US Pat. No. 5,700,595, issued to Reiser, which is incorporated herein by reference. The membrane 16 is between an anode fuel reactant flow field area 18 and a cathode oxidant reactant flow field region 20 arranged. Hydrogen-rich fuel reactant gas becomes the anode region 18 over a line 15 which the fuel control system 17 contains, guided. An oxidizing agent, eg air, becomes the cathode area 20 from one or more sources, including, for example, via the return line 19 , which is described in more detail below.

Ferner umfasst die CSA 12 einen Kühler 22 mit einem Einlass 27 und einem Auslass 29, welcher Kühlmittelströmungsfelder zum Leiten von Kühlmittelwasser zu und von der Zellenstapelanordnung 12 bietet. Das Kühlmittel 22 umfasst feinporige Wassertransportplatten (WTP), hier nicht gezeigt, aber im größeren Detail im bereits genannten US-Patent 5 700 595 beschrieben. Über und durch die Wassertransportplatten strömendes Kühlmittelwasser trägt dazu bei, ein Überqueren von Reaktantengasen zwischen benachbarten Brennstoffzellen in der Zellenstapelanordnung 12 zu verhindern, aber währenddessen wird ein Teil des Reaktantengases verschleppt und/oder im Kühlmittelwasser gelöst. Die verschleppten/gelösten Gase umfassen typischerweise Luft, Wasserstoff und, falls ein Reformatbrennstoff verwendet wird, Kohlendioxid. Während ein Teil der Luft in das Kühlmittel bei seinem Durchströmen durch den Brennstoffzellenstapel 12 eingeführt wird, wird Luft auch durch das Kühlmittel bei einem "Stripping"- oder Spülvorgang während des Strömens des Kühlmittels durch einen unten beschriebenen Entgaserseparator aufgenommen. Normalerweise ist die größte Menge an im Kühlmittel verschleppten, gelösten Gas entweder vor oder nach dem Entgasen, die Luft, welche als Stripping-Medium verwendet wird. Der Ausdruck "Gas", wie hier verwendet, soll ein nicht kondensierbares Gas bedeuten, welches im Kühlmittel verschleppt und/oder gelöst ist, im Gegensatz zu Dampf, welcher kondensierbar ist.Furthermore, the CSA includes 12 a cooler 22 with an inlet 27 and an outlet 29 , which coolant flow fields for conducting coolant water to and from the cell stack assembly 12 offers. The coolant 22 includes fine-pored water transport plates (WTP), not shown here but described in more detail in the aforementioned U.S. Patent 5,700,595. Coolant water flowing over and through the water transport plates helps traverse reactant gases between adjacent fuel cells in the cell stack assembly 12 but during this, part of the reactant gas is carried off and / or dissolved in the coolant water. The entrained / dissolved gases typically include air, hydrogen and, if a reformate fuel is used, carbon dioxide. While a portion of the air in the coolant as it flows through the fuel cell stack 12 is introduced, air is also taken up by the coolant in a "stripping" or rinsing operation during the flow of the coolant through a degasser separator described below. Normally, the largest amount of dissolved gas entrained in the refrigerant, either before or after degassing, is the air used as the stripping medium. The term "gas" as used herein is intended to mean a non-condensable gas which is entrained and / or dissolved in the refrigerant, as opposed to vapor which is condensable.

Das Kühlmittelmanagementsystem 14 ist im Prinzip ein Versorgungskreislauf, welcher einen Teil oder das gesamte Kühlmittelwasser zum Brennstoffzellenstapel 12 für die Wiederverwendung zurückführt. Daher ist es erwünscht, dass das Kühlmittel im flüssigen Zustand ist, aus einer Reihe von Gründen, einschließlich Wärmetransfer, Befeuchtung, Reaktantenbarriere, vereinfachtes Pumpen, etc. Außerdem ist es erwünscht, dass potenziell sämtliche Gase, z.B. Wasserstoff oder Kohlendioxid, sich im Kühlmittelsystem 14 nicht ansammeln. Wie jedoch bereits erwähnt, enthält das Kühlmittel, welches den Zellenstapel 12 verlässt, typischerweise eine signifikante Gasmenge, typischerweise Luft, aber auch Wasserstoff etc. Dementsprechend enthält das Kühlmittelmanagementsystem 14 Möglichkeiten zum effizienten Pumpen des Kühlmittels im flüssigen Zustand durch die relevanten Teile des Kühlmittelkreislaufs und Möglichkeiten zum Vereinfachen des Transports von Gas und/oder Gas-Flüssigkeitsmi schungen in dem Kühlmittel, welches den Zellenstapel 12 verlässt, zu einem Separator. Zu diesem Zweck stellt die Erfindung eine Flüssigkeitspumpe, z.B. eine Zentrifugalkühlmittelpumpe 24, bereit und einen Gas-Transport- und -Trennungsmechanismus 26 im Kühlmittelmanagementsystem, bzw. -kreislauf, 14.The coolant management system 14 is in principle a supply circuit, which some or all of the coolant water to the fuel cell stack 12 for reuse. Therefore, it is desirable for the coolant to be in the liquid state for a variety of reasons, including heat transfer, humidification, reactant barrier, simplified pumping, etc. Additionally, it is desired that potentially all gases, eg, hydrogen or carbon dioxide, be present in the coolant system 14 do not accumulate. However, as already mentioned, the coolant containing the cell stack contains 12 leaves, typically a significant amount of gas, typically air, but also hydrogen, etc. Accordingly, the coolant management system includes 14 Possibilities for efficiently pumping the coolant in the liquid state through the relevant parts of the coolant circuit and ways to facilitate the transport of gas and / or gas-liquid mixtures in the coolant, which the cell stack 12 leaves, to a separator. For this purpose, the invention provides a liquid pump, eg a centrifugal coolant pump 24 , ready and a gas transport and separation mechanism 26 in the coolant management system, or circulation, 14 ,

Die Pumpe 24 ist eine Zentrifugalpumpe konventioneller Bauart und ist relativ einfach, effizient und im Handel erhältlich. Die Pumpe 24 hat einen Einlass 23 und einen Auslass 25 und kann verwendet werden, um die erforderliche Kühlmitteldrucksteigerung zur Verfügung zu stellen, da sie nur flüssiges Kühlmittel, d.h. Wasser, und nicht ein Flüssigkeits-Gasgemisch pumpen muss, wie im Folgenden erklärt wird. Es versteht sich, dass im Kühlmittel gelöste Gas für diesen Typ Pumpe keine Schwierigkeit darstellt, wie es verschleppte Gase tun, da effektiv nur die letzteren in der Pumpe in der Gasphase auftreten.The pump 24 is a centrifugal pump of conventional design and is relatively simple, efficient and commercially available. The pump 24 has an inlet 23 and an outlet 25 and may be used to provide the required coolant pressure increase since it only needs to pump liquid coolant, ie water, and not a liquid-gas mixture, as will be explained below. It is understood that gas dissolved in the refrigerant for this type of pump poses no difficulty, as do abducted gases, since effectively only the latter in the pump in the gas phase occur.

Der Gas-Transport- und -Trennungsmechanismus 26 ist in 1 umfassend dargestellt und umfasst eine Unterdruckvorrichtung, z.B. eine Unterdruckpumpe 28, und einen Separator/Speicher 30 und ist im Kühlmittelkreislauf 14 zwischen einem Bereich einer Gas-Flüssigkeitskühlmittelmischung stromabwärts vom Kühler 22 des Zellenstapels 12 und dem Einlass 23 zur Pumpe 24 verbunden. Der Sog der Unterdruckpumpe 28 bietet ein relativ effizientes Mittel zum Transportieren von Gas oder einer Gas-Flüssigkeitsmischung, um eine Trennung der Gas- und Flüssigkeitsphase und das Speichern der Flüssigkeit unter Verwendung des Separator-Akkumulators 30 zu bewirken, was detaillierter in Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wird. Das resultierende gespeicherte flüssige Kühlmittel wird dann zum Einlass 23 einer Kühlmittelpumpe 24 geführt. Eine Quelle für Spülluft oder Stripping-Luft wird über die Leitung 32 dem Separator/Akkumulator 30 zur Verfügung gestellt, um die Trennung und Entfernung von gelösten oder verschleppten Gasen, z.B. Wasserstoff und Kohlendioxid, aus dem Kühlmittelkreislauf 14 zu unterstützen, wobei die Luft dann weiter zur Kathode 20 über die Rückführleitung 19 gebracht werden kann. Die Luftquelle für die Stripping-Luft kann tatsächlich die Luft sein, welche die Kathode 20 verlässt.The gas transport and separation mechanism 26 is in 1 shown comprehensively and includes a vacuum device, such as a vacuum pump 28 , and a separator / memory 30 and is in the coolant circuit 14 between a region of a gas-liquid coolant mixture downstream of the radiator 22 of the cell stack 12 and the inlet 23 to the pump 24 connected. The suction of the vacuum pump 28 provides a relatively efficient means of transporting gas or a gas-liquid mixture, separation of the gas and liquid phases, and storage of the liquid using the separator-accumulator 30 to effect what is described in more detail with respect to specific embodiments. The resulting stored liquid coolant then becomes the inlet 23 a coolant pump 24 guided. A source of purge air or stripping air is sent over the line 32 the separator / accumulator 30 provided to the separation and removal of dissolved or displaced gases, such as hydrogen and carbon dioxide, from the coolant circuit 14 to assist, with the air then to the cathode 20 via the return line 19 can be brought. The source of air for the stripping air may actually be the air which is the cathode 20 leaves.

Ein Entmineralisierer kann parallel zur Kühlmittelpumpe 24 von ihrem Auslass 25 zu ihrem Einlass 23 verbunden sein, um nicht erwünschte Mineralien aus dem Kühlmittelwasser zu entfernen. Möglichkeiten zum entsprechenden Erwärmen des Kühlmittels, beispielsweise durch eine elektrische Heizung 36, vor seinem Einlass in den Zellenstapel 12 über ein Einstellungsventil 37 sind vorgesehen. Durch das Kühlmittel während seiner Passage durch den Zellenstapel 12 aufgenommene Wärme kann dann reguliert und abgegeben werden, falls notwendig, durch Verwendung eines Wärmetauschers, z.B. eine Kombination aus Kühler/Ventilator 38. Der Kühler/Ventilator 38 kann mit einem Bereich an Variablität ausgestattet sein oder kann nur für Maximalleistung ausgelegt und vorgesehen sein, wobei die gewünschte Variabilität über eine Bypass-Kühlmittelleitung 40 erreicht werden kann, welche in Umgehung mit dem Kühler/Ventilator 38 über ein Mehrweg-Wärmesteuerungsventil 42 verbunden ist.A demineralizer may be parallel to the coolant pump 24 from their outlet 25 to her inlet 23 be connected to remove unwanted minerals from the coolant water. Possibilities for corresponding heating of the coolant, for example by an electric heater 36 , before his entry into the cell stack 12 via a setting valve 37 are provided. By the coolant during its passage through the cell stack 12 absorbed heat can then be regulated and released, if necessary, by using a heat exchanger, eg a combination of cooler / fan 38 , The cooler / fan 38 may be provided with a range of variability or may be designed and provided for maximum performance only, with the desired variability via a bypass coolant line 40 can be achieved which bypasses the radiator / fan 38 via a reusable heat control valve 42 connected is.

Zusätzlich, wie in gestrichelter Linie dargestellt, kann es wünschenswert sein, einen Teil des ausströmenden Kühlmittels vom Auslass 29 des Kühlers 22 zur Erzeugung von Dampf auf bekannte Weise bei einer Reformierungsreaktion in einem Brennstoffaufbereitungssystem (Fuel Processing System FPS) 90 zu verwenden, welches mit den Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem verbunden ist. In einem solchen Fall kann Kühlmittel mit verschleppten Gasen durch ein Kontrollventil 91 und eine Pumpe 93 zum Brennstoffaufbereitungssystem 90 über eine Heizung 92 geleitet werden. Weil das Kühlmittel, welches den Kühler 22 des PEM-Brennstoffzellenstapels 12 verlässt, keine besonders hohe Temperatur hat, dient die Heizung 92, welche ein Brenner, Boiler oder Wärmetauscher sein kann, dazu, den erforderlichen Dampf in oder aus dem Kühlmittel zu erzeugen. Das Kontrollventil 91 ermöglicht eine Portionierung der Strömung bis zu erforderlichen Ausmaß. In dem Maß, in welchem Kühlmittel für Dampf im Brennstoffaufbereitungssystem 90 verwendet wird, wird ein Teil davon im Folgenden zu Wasser kondensiert und dieses Kondensat kann in den Kühlmittelkreislauf 14 zurückgeführt oder zugefügt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass als Folge der Dampferzeugung der Heizung 92 ein Ausblasen in regelmäßigen Abständen (Periodic Blowdown) der Heizung 92 erforderlich ist, um ein Ansammeln von Verunreinigungen im Wasser zu vermeiden. Es ist wichtig, ein Kühlmittelgleichgewicht innerhalb des Kühlmittelmanagementsystems 14 und insbesondere im Zellenstapel aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck kann Kühlmittelwasser selektiv zu dem System 14 hinzugefügt (oder entfernt) werden, beispielsweise durch Steuerung des Ausmaßes des Ausblasens von der Heizung 92, welches über ein damit verbundenes Kontrollventil 44 in den Kühlmittelkreislauf 14, vorzugsweise direkt vor dem Separator 26, eintritt und/oder die den Kühlmittelkreislauf 14 zurückgeführte/zugefügte Menge an Brennstoffzellenproduktwasser (nicht gezeigt). Es sollte angemerkt werden, dass es nicht erforderlich ist, dass der Kühlmittelkreislauf 14 kontinuierlich 100% des durch den Kühler 22 strömenden Kühlmittels zu jeder Zeit rezirkuliert, wenngleich dies ein wünschenswertes Ziel sein kann. Stattdessen kann Kühlmittel aus diesem Kreislauf bei Verwendung in einem Dampf-Reformierungsprozess, z.B. in der Brennstoffaufbereitungsanlage 90, verloren gehen, und Kühlmittel kann von dem durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 12 gebildeten Produktwasser hinzugefügt werden.Additionally, as shown in dashed line, it may be desirable to remove some of the effluent refrigerant from the outlet 29 the radiator 22 for producing steam in a known manner during a reforming reaction in a fuel processing system (FPS) 90 to use, which is connected to the fuel cell power generation system. In such a case, coolant with trailed gases through a control valve 91 and a pump 93 to the fuel processing system 90 over a heater 92 be directed. Because the coolant, which is the radiator 22 of the PEM fuel fuel cells stack 12 leaves, does not have a particularly high temperature, the heating serves 92 , which may be a burner, boiler or heat exchanger, to generate the necessary steam in or out of the coolant. The control valve 91 allows portioning of the flow to the required extent. To the extent in which refrigerant for steam in the fuel processing system 90 is used, a part of which is condensed to water in the following and this condensate can in the coolant circuit 14 be returned or added. It should be noted that as a result of steam generation of heating 92 a blow-out at regular intervals (periodic blowdown) of the heater 92 is necessary to prevent accumulation of impurities in the water. It is important to have a coolant balance within the coolant management system 14 and especially in the cell stack. For this purpose, coolant water may be selective to the system 14 added (or removed), for example, by controlling the amount of blow-out from the heater 92 , which has an associated control valve 44 in the coolant circuit 14 , preferably directly in front of the separator 26 , enters and / or the coolant circuit 14 recirculated / added amount of fuel cell product water (not shown). It should be noted that it is not necessary for the coolant circuit 14 continuously 100% of that through the radiator 22 recirculating coolant at any time, although this may be a desirable goal. Instead, coolant from this cycle may be used in a steam reforming process, eg, in the fuel processing plant 90 , and coolant can be lost by the electrochemical reaction in the fuel cell 12 be added formed product water.

Zum besseren Verständnis der Erfindung im Kontext einer spezifischeren Ausführungsform wird nun auf 2 Bezug genommen. Elemente, welche identisch oder ähnlich mit denen in 1 beschriebenen sind, erhalten die gleichen (oder abgeleitete) Bezugszeichen, und das Gleiche gilt für die folgenden Figuren. 2 zeigt ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 10 ähnlich dem in 1 dargestellten allgemeinen Basissystem dar, weisen aber den Gas-Flüssigkeitstrennungsmechanismus 26' in einer detaillierten Ausführungsform auf. Die Vakuumpumpe 28 von 1 ist hier als Flüssigkeitsejektor 28' beschrieben und dargestellt, und der Separator/Speicher ist ein Zentrifugalseparator/Speicher 30; die über die Leitung 32 zu dem Separator/Akkumulator 30' geführte Luft wird durch ein Luftgebläse 46 mit variabler Geschwindigkeit zugeführt.For a better understanding of the invention in the context of a more specific embodiment will now be on 2 Referenced. Elements identical or similar to those in 1 are given the same (or derived) reference numerals, and the same applies to the following figures. 2 shows a fuel cell power generation system 10 similar to the one in 1 illustrated general base system, but have the gas-liquid separation mechanism 26 ' in a detailed embodiment. The vacuum pump 28 from 1 is here as a liquid ejector 28 ' described and illustrated, and the separator / storage is a Zentrifugalseparator / memory 30 ; the over the line 32 to the separator / accumulator 30 ' guided air is through an air blower 46 supplied at variable speed.

Der Flüssigkeitsejektor 28' ist in größerem Detail in 3, 4 und 5 dargestellt und gehört zu einem allgemein bekannten Betriebsprinzip und Design. Beispielsweise sind in Brennstoffzellenumgebungen verwendete Ejektoren in den US-Patenten 5 419 978, 5 013 617, 4 769 297 und 3 982 961 beschrieben, welche alle von der Inhaberin der Rechte an der vorliegenden Erfindung gehal ten werden und hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen werden. In den meisten dieser Fälle ist das Primärfluid dieser Ejektoren ein Gas, wohingegen es im vorliegenden Fall eine Flüssigkeit ist. Obwohl kommerziell erhältlich Ejektoren in der vorliegenden Erfindung ausreichend sein können, bieten sie u.U. nicht die erwünschte Effizienz, und eine weitere Konstruktionsoptimierung kann erforderlich sein, wie im Folgenden beschrieben. Der Flüssigkeitsejektor (die Flüssigkeitsstrahlpumpe) ist eine Impulsvorrichtung, und Gasblasen mit niedriger Dichte werden schneller als die normale Kühlmittelwasserströmung gepumpt, wodurch es eine effektive und effiziente Pumpe für das enthaltene Gas ist.The liquid ejector 28 ' is in more detail in 3 . 4 and 5 represented and belongs to a well-known operating principle and design. For example, ejectors used in fuel cell environments are described in U.S. Patent Nos. 5,419,978, 5,013,617, 4,769,297, and 3,982,961, all of which are owned by the assignee of the present invention and are hereby incorporated by reference. In most of these cases, the primary fluid of these ejectors is a gas, whereas in the present case it is a liquid. Although commercially available ejectors may be sufficient in the present invention, they may not provide the desired efficiency, and further design optimization may be required, as described below. The liquid ejector (the liquid jet pump) is a pulse device, and low density gas bubbles are pumped faster than the normal coolant water flow, making it an effective and efficient pump for the contained gas.

Der Ejektor 28' kann eine Mehrzahl von Geometrien bzw. Gestaltungen oder Gestelten annehmen, verwendet im vorliegenden Fall jedoch eine flache Gestalt, die bis zu einem gewissen Grad ähnlich zu der im genannten Patent 3 982 961 beschriebenen ist. Der hier dargestellte Ejektor 28' umfasst eine Grundplatte 48 mit einer darin gebildeten ausgenommenen Pfanne 49'. Eine oder mehrere Silicondichtungsblätter 50 mit einer Gesamtdicke von etwa 0,060 Inch, welche in der Pfanne 49 sitzen; ein O-Ring aus Silicon 52 mit einem Querschnitt von etwa 0,07 Inch, welcher ebenfalls in der Pfanne 49 sitzt, um eine Randbereichdichtung zu bilden; und eine Oberplatte 54, in deren Unterseite die in 4 und 5 dargestellten Fluidströmungsgeometrien eingearbeitet sind. Die Oberplatte 54 und Grundplatte 48 sind in fluiddichtem Verhältnis zusammengebaut und zusammengehalten, z.B. durch Befestiger oder durch Verbinden.The ejector 28 ' may take on a variety of geometries or shapes, but in the present case uses a flat shape which is somewhat similar to that described in the aforementioned 3,982,961 patent. The ejector shown here 28 ' includes a base plate 48 with a recessed pan formed therein 49 ' , One or more silicone seals 50 with a total thickness of about 0.060 inches, which is in the pan 49 to sit; an o-ring made of silicone 52 with a cross section of about 0.07 inches, which is also in the pan 49 sits to form a peripheral area seal; and a top plate 54 , in the bottom of which the in 4 and 5 incorporated fluid flow geometries are incorporated. The top plate 54 and base plate 48 are assembled in fluid-tight relationship and held together, for example by fasteners or by connecting.

Es wird Bezug genommen auf 4 und 5. Die Oberplatte 54 des Ejektors 28' enthält eine Bewegungseinlassöffnung 56 zum Aufnehmen von unter Druck stehendem flüssigen Kühlmittel; eine Ansaug-Einlassöffnung 58 zum Aufnehmen von Gas oder einer Gasflüssigkeitsmischung; und eine Ausstoß-Ausgangsöffnung 60 zum Ausstoßen der über die beiden Einlässe aufgenommenen, gemischten Produktfluide. Der Bewegungseinlass 56 hat einen assoziierten Bewegungsfluid- (Transportfluid) Kanal 56', welcher mit dem Mischkanal 62 gemeinsam aufgerichtet ist, welcher sich zu dem Ausstoßausgang 60 erstreckt. Ein Paar Saugfluidkanäle 58' biegen sich um den Bewegungsfluidkanal 56 vom Saugeinlass 58 zu einem Kreuzungspunkt mit dem Bewegungsfluidkanal 56' und dem Mischkanal 62. Eine Venturi-Einrichtung an diesem Bereich der Kreuzung bewirkt, dass das Fluid am Saugeinlass 58 in den Ejektor 28' gesaugt und mit dem Bewegungsfluid zum Ausstoß beim Auslass 60 gemischt wird. Die Länge des Mischkanals beträgt etwa das Zehnfache ihrer Breite bzw. !! ihres !! Durchmessers, und ein Diffusorbereich 64 hat einen geringen Divergenzwinkel von 10° oder weniger. Dies unterstützt das Mischen der Fluide und verbessert den durch das Bewegungsfluid erzeugten Unterdruck am Saugeinlass 58. Im dargestellten Beispiel wird ein Unterdruck von etwa 5,0 psig unter Verwendung eines Kühlmitteldrucks von 12 psig am Bewegungseinlass 56 erzeugt.It is referred to 4 and 5 , The top plate 54 of the ejector 28 ' contains a movement inlet opening 56 for receiving pressurized liquid coolant; a suction inlet opening 58 for receiving gas or a gas-liquid mixture; and an ejection exit port 60 for discharging the mixed product fluids received via the two inlets. The movement inlet 56 has an associated motional fluid (transport fluid) channel 56 ' , which with the mixing channel 62 is erected together, which is to the ejection outlet 60 extends. A pair of suction fluid channels 58 ' bend around the motion fluid channel 56 from the suction inlet 58 to a crossing point with the motion fluid channel 56 ' and the mixing channel 62 , A venturi device at this area of the junction causes the fluid at the suction inlet 58 into the ejector 28 ' sucked and with the motion fluid for discharge at the outlet 60 is mixed. The length of the mixing channel is about ten times its width or !! her !! Diameter, and a diffuser area 64 has a low divergence angle of 10 ° or less. This aids mixing of the fluids and improves the vacuum created by the motive fluid at the suction inlet 58 , In the illustrated example, a negative pressure of about 5.0 psig is used using a refrigerant pressure of 12 psig at the agitation inlet 56 generated.

Wie in 2 dargestellt, ist eine unter Druck stehende Kühlmittelversorgungsleitung 66 vom Auslass 25 der Kühlmittelpumpe 24 zum Bewegungseinlass 56 des Ejektors 28' verbunden. Der Saugeinlass 58 des Ejektors 28' ist auch über die Leitung 67 mit dem Kühlmittelkreislauf 14 in einem Bereich verbunden, welcher eine Gas-Flüssigkeitsmischung enthält, beispielsweise nach dem Wärmesteuerungsventil 42. Der Ausstoßausgang 60 des Ejektors 28' wird tangential in einen Zentrifugalseparator/Speicher 30' geführt, um die Trennung von Gas von flüssigem Kühlmittel zu vervollständigen und das verbleibende Kühlmittelwasser zu speichern. Mindestens der Separatorbereich des Separators/Speichers ist ein Gefäß mit kreisförmiger oder zylindrischer Form, und es wird bewirkt, dass das tangential eintretende Wasser um den inneren Durchmesser des Separatorbereichs wirbelt und auf den Boden des Gefäßes herabfällt, wo es im Speicherbereich, welcher trennende Ablenkelemente 68 enthält, angesammelt wird. Gleichzeitig strömt die Spül-Luftströmung oder Stripping-Luftströmung vom Gebläse 46 aufwärts durch das absteigende Kühlmittelwasser, was dazu dient, Gase aus dem Kühlmittel zu strippen (entfernen) und freie Gase im Spül-Luftstrom mitzuschleppen und bewirkt, was wichtig ist, dazu, dass gelöste Gase, z.B. Wasserstoff und möglicherweise Kohlendioxid, welche im Kühlmittel aus der Lösung gekommen sind, im Spül-Luftstrom mitgeschleppt werden. Der letztere Mechanismus wird unterstützt durch den durch den Ejektor zur Verfügung gestellten relativen Unterdruck. Der Spül-Luftstrom gelangt dann durch ein entnebelndes Sieb. Die so getrennten Gase können aus dem System entlüftet werden, wodurch sich das Ansammeln von Wasserstoff im Kühlmittelkreis auf 14 reduziert. Da jedoch der Großteil der gasförmigen Strömung, welche den Separator/Speicher 30 verlässt, Luft ist, kann sie, wie gezeigt, durch eine Leitung 19 als Oxidationsmittelversorgung für die Kathode 20 zurückgeführt werden. Das im Speicherbereich gesammelte Wasser ist nun relativ frei von mitgeschleppten/gelösten Gasen, bis auf Luft. Die Mehrheit des im Wasser verbleibenden Gases ist Luft in gelöster Form, teilweise von der Stripping-Luft aufgenommen, und ist über eine Leitung 72 mit dem Einlass 23 der Kühlmittelpumpe 24 verbunden.As in 2 is a pressurized coolant supply line 66 from the outlet 25 the coolant pump 24 for movement admission 56 of the ejector 28 ' connected. The suction inlet 58 of the ejector 28 ' is also over the line 67 with the coolant circuit 14 connected in a region containing a gas-liquid mixture, for example after the heat control valve 42 , The ejection output 60 of the ejector 28 ' becomes tangential to a centrifugal separator / store 30 ' to complete the separation of gas from liquid coolant and to store the remaining coolant water. At least the separator region of the separator / reservoir is a vessel of circular or cylindrical shape, and the tangentially entering water is caused to swirl about the inner diameter of the separator region and fall to the bottom of the vessel, where in the reservoir region, which separating baffles 68 contains, is accumulated. At the same time, the purge airflow or stripping airflow flows from the fan 46 upwards through the descending coolant water, which serves to strip (remove) gases from the coolant and drag along free gases in the purge air flow and, importantly, causes dissolved gases, eg hydrogen and possibly carbon dioxide, to escape in the coolant have come to the solution, be entrained in the purge air flow. The latter mechanism is assisted by the relative negative pressure provided by the ejector. The purge air flow then passes through a sebum screen. The gases separated in this way can be vented out of the system, which causes the accumulation of hydrogen in the coolant circuit 14 reduced. However, since most of the gaseous flow, which is the separator / storage 30 leaves, is air, it can, as shown, through a pipe 19 as oxidant supply for the cathode 20 to be led back. The collected water in the storage area is now relatively free of entrained / dissolved gases, except for air. The majority of the gas remaining in the water is air in dissolved form, partially taken up by the stripping air, and is via a conduit 72 with the inlet 23 the coolant pump 24 connected.

Obwohl die Anordnung der Ausführungsform von 2 in der Lage ist, einen Ejektor zu verwenden, um im flüssigen Kühlmittel mitgeschlepptes Gas zu trennen/transportieren, sei angemerkt, dass nicht nur Gas, sondern im Wesentlichen sämtliche Flüssigkeit im Kühlmittelkreislauf 14 durch den Saugeinlass 58 des Ejektors 28 gelangen muss. Dieser Zustand beeinflusst nachteilig die Effizienz des Ejektors als Unterdruckpumpe für Gase und begrenzt dessen Gesamt-Pumpkapazität. Aus diesem Grund ist es erwünscht, die Menge an Flüssigkeit zu minimieren, von welcher erforderlich ist, dass sie durch den Saugeinlass 58 des Ejektors gelangt, wodurch er im Prinzip zu einer flüssigkeitsgetriebenen Gaspumpe wird.Although the arrangement of the embodiment of 2 is able to use an ejector to separate / carry entrained gas in the liquid refrigerant, it should be noted that not only gas but substantially all the liquid in the refrigerant circuit 14 through the suction inlet 58 of the ejector 28 must arrive. This condition adversely affects the efficiency of the ejector as a vacuum pump for gases and limits its overall pumping capacity. For this reason, it is desirable to minimize the amount of liquid required to pass through the suction inlet 58 the ejector passes, making it in principle a liquid-driven gas pump.

Dementsprechend zeigt 6 eine Ausführungsform des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 10' mit vielen der gleichen Komponenten und Funktionen wie in der Ausführungsform von 2, dem prinzipiellen Unterschied, dass es eine größere Menge an flüssigem Kühlmittel erfordert, welche in den Ejektor 28' durch dessen Saugeinlass 58 gezogen werden muss. Stattdessen ist der Flüssigkeitsejektor 28 verbunden, um am effizientesten als eine Gaspumpe zu wirken. Von Bedeutung ist, dass der Trennungsmechanismus 26' dieser Ausführungsform nicht nur als Zentrifugalseparator/Speicher 30 der Ausführungsform von 2 wirkt, aber auch als weitere Separator/Speicher-Einrichtung, in diesem Fall in Form einer Luftfalle (bubble trap) 130. Aus Gründen der visuellen Vereinfachung von 6 wurde eine Darstellung eines optionalen Pfads für Kühlmittel/Dampf durch ein Brennstoffaufbereitungssystem weggelassen, dessen optionales Vorhandensein kann jedoch bis zu dem in 1 und 2 gezeigten Grad impliziert werden. In einem solchen Fall würde das Kühl mittel für Dampf wahrscheinlich nach der Pumpe 24' von 6 erhalten werden.Accordingly shows 6 an embodiment of the fuel cell power generation system 10 ' with many of the same components and functions as in the embodiment of FIG 2 , the principal difference being that it requires a larger amount of liquid coolant entering the ejector 28 ' through its suction inlet 58 must be drawn. Instead, the liquid ejector 28 connected to most effectively act as a gas pump. Of importance is that the separation mechanism 26 ' this embodiment not only as Zentrifugalseparator / memory 30 the embodiment of 2 acts, but also as a further separator / storage device, in this case in the form of an air trap (bubble trap) 130 , For the sake of visual simplification of 6 however, an illustration of an optional coolant / vapor path through a fuel conditioning system has been omitted, but its optional presence may be up to that in FIG 1 and 2 be shown implied degree. In such a case, the cooling agent for steam would probably be after the pump 24 ' from 6 to be obtained.

Die Luftfalle (bubble trap) 130 weist ein generell längliches Gefäß mit einer Mehrzahl von Ablenkelementen (Ablenkplatten) 132 auf, welche so angeordnet sind, dass sie einen oder mehrere langwierige Fluidpfade zwischen einer Kühlmittel/Gaseintrittsstelle 74 zu einem Ende der Luftfalle (bubble trap) 132 und einer Austrittsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel 2 oder in der Nähe des anderen, typischerweise niedrigeren Endes. Eine Gasausgangsstelle 78 ist auch an dem entgegengesetzten, typischerweise oberen, Ende des Fluidpfads relativ zu der Ausgangsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel vorgesehen. Die flüssige Kühlmittel-Gasmischung, welche von der Zellenstapelanordnung 12 abgegeben wird, wird verbunden mit der Eingangsstelle 74 der Luftfalle (bubble trap) 132; die Austrittsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel wird mit dem Einlass 23' der Kühlmittelpumpe 24' verbunden; und die Gasaustrittsstelle 78 wird über die Leitung 67' mit dem Ansaugeinlass 58 des Ejektors 28' verbunden. Wenn die flüssige Kühlmittel/Gasmischung durch den Ablenk-Pfad bzw. -Pfade der Luftfalle (bubble trap) 130 strömt, zieht der an der Gasaustrittsstelle 78 durch den Saugunterdruck des Ejektors erzeugte reduzierte Druck die mitgeschleppten Gasbläschen hochwärts und aus der Luftfalle (bubble trap) heraus und durch den Saugeinlass 58 des Ejektors. In ähnlicher Weise bewirkt der reduzierte Druck auch, dass gelöste Gase im Kühlmittel den gelösten Zustand verlassen und durch den Saugeinlass 58 gezogen werden. Entsprechend steigt das schwerere Kühlmittelwasser, nun von einem Großteil der Gasmischung befreit, zu der Austrittsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel herab und wird dort gesammelt, von wo es dann zu der Kühlmittelpumpe 24' gebracht wird.The air trap (bubble trap) 130 has a generally elongated vessel with a plurality of baffles (baffles) 132 which are arranged to have one or more lengthy fluid paths between a coolant / gas entry point 74 to one end of the air trap (bubble trap) 132 and an exit point 76 for liquid coolant 2 or near the other, typically lower end. A gas outlet 78 is also at the opposite, typically upper, end of the fluid path relative to the exit site 76 intended for liquid coolant. The liquid coolant gas mixture coming from the cell stack assembly 12 is delivered, is connected to the entry point 74 the air trap (bubble trap) 132 ; the exit point 76 for liquid coolant comes with the inlet 23 ' the coolant pump 24 ' connected; and the gas outlet 78 is over the line 67 ' with the suction inlet 58 of the ejector 28 ' connected. When the liquid refrigerant / gas mixture passes through the bubble trapping path (s) 130 flows, pulls on the Gas outlet 78 reduced pressure generated by the suction vacuum of the ejector lifts the entrained gas bubbles up and out of the bubble trap and through the suction inlet 58 of the ejector. Similarly, the reduced pressure also causes dissolved gases in the coolant to exit the released state and through the suction inlet 58 to be pulled. Accordingly, the heavier coolant water, now freed from much of the gas mixture, rises to the exit point 76 down for liquid coolant and is collected there, from where it then to the coolant pump 24 ' is brought.

Auf diese Weise nimmt die Kühlmittelpumpe 24' weiterhin im Wesentlichen nur flüssiges Kühlmittel zum Pumpen innerhalb des Kreislaufs 14 auf, und der Ejektor 28' kann als effiziente Vakuumpumpe dienen, welche nicht notwendigerweise einen beträchtlichen Teil des Kühlmittelwassers durch den Saugeinlass 58 transportieren muss. Tatsächlich wird das entgaste Kühlmittelwasser, welches die Kühlmittelpumpe 24' verlässt, über die Leitung 66' sowohl zum Bewegungseinlass 56 des Ejektors 28' als auch direkt zum Zentrifugalsepara tor/Speicher 30' geliefert, wobei der letztere Pfad ein Einstellungsventil 80 zum Regulieren der relativen Aufteilung der Strömung zwischen diesen beiden Pfaden aufweist. Der Separator/Speicher 30' arbeitet weiterhin wie bisher beschrieben, wobei ein größeres Ausmaß an Gas-Flüssigkeitstrennung vor der Ankunft dieser beiden Fluide bei dieser Vorrichtung stattgefunden hat. Spül-Luft oder Stripping-Luft wird über die Leitung 32 geliefert, und ausgeblasenes vom Brennstoff-Aufbereitungssystem und Brennstoffzellen-Kühlmittelwasser wird nun direkt vom Separator/Speicher 30' geliefert. Schließlich gibt der Akkumulatorbereich des Separators/Speichers 30' flüssiges Kühlmittel direkt in den Kühlmittelkreislauf 14 zurück, wobei die Kühlmittelpumpe 24' in diesem Fall ihren Kühlmittelwassereingang vom Luftfallenseparator (bubble trap separator) 130 wie bereits beschrieben aufnimmt.In this way, the coolant pump takes 24 ' essentially only liquid coolant for pumping within the circuit 14 on, and the ejector 28 ' may serve as an efficient vacuum pump, which does not necessarily consume a substantial portion of the coolant water through the suction inlet 58 must transport. In fact, the degassed coolant water which is the coolant pump 24 ' leaves, over the line 66 ' both to the movement inlet 56 of the ejector 28 ' as well as directly to Zentrifugalsepara gate / memory 30 ' delivered, the latter path is a setting valve 80 for regulating the relative distribution of the flow between these two paths. The separator / storage 30 ' continues to operate as heretofore described, with a greater degree of gas-liquid separation having taken place prior to the arrival of these two fluids in this device. Purge air or stripping air is over the line 32 delivered and blown from the fuel processing system and fuel cell coolant water is now directly from the separator / storage 30 ' delivered. Finally, the accumulator area of the separator / memory 30 ' liquid coolant directly into the coolant circuit 14 back, with the coolant pump 24 ' in this case, their coolant water inlet from the air trap separator (bubble trap separator) 130 as already described.

Es wird nun auf 7 Bezug genommen, um die repräsentativen Druckzunahmen und -verluste zu verstehen, die um einen typischen Kühlmittelkreislauf 14 eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 10' auftreten, welches die Merkmale der vorliegenden Erfindung inkorporiert. Der Kühlmittelkreislauf 14 arbeitet bei nahezu Umgebungsdrücken, wobei Bereiche des Kreislaufs ein Paar psig oberhalb des Umgebungsdrucks und Bereiche ein Paar psig unterhalb des Umgebungsdrucks sind. Der Druckplan von 7 ist ausschließlich für Kühlmitteldruckzunahmen und -verringerungen im Brennstoffaufbereitungszweig. Die Kühlmittelpumpe 24' und der Mechanismus für den Gas-Flüssigkeitstransport, Trennung und Speicherung werden hier als in Betrieb zwischen etwa –5,0 psig und +12,0 psig dargestellt, etwas breitere oder schmälere Bereiche sind jedoch möglich. Der Druck des flüssigen Kühlmittels und der gespülten Luft an den Auslässen des Separator-Speichers 30' dient hier als Referenzdruck der Umgebung bzw. 0 psig. Entlang der Strömung des Kühlmittelkreislaufs 14 in Richtung der Zellenstapelanordnung 12 folgend durchmacht das Kühlmittel eine 1,5 psi Verringerung bzw. Differenz (psid) über das Einstellungsventil 37. Ein Abfall von 0,5 psig findet über das Isolierungsventil 82 statt. Der Druckabfall über dem Kühlmittelbereich 22 der Zellenstapelanordnung 12 ist etwa 2,5 psi, und ein weiterer Abfall von 0,5 psi findet über dem Isolierungsventil 84 statt. An diesem Punkt ist der Druck 5,0 psi abgefallen, so dass der Kühlmittelsystemdruck hier –5,0 psi ist. Die Gas-Flüssigkeitskühlmittelmi schung der Zellenstapelanordnung 12 wird dann durch den Luftfallen-Separator/Speicher 130 geleitet, wo es notwendig ist, dass der Unterdruck am Saugeinlass des Ejektors 28' aufgebaut wird, damit er ausreichend ist, Gas vom Kühlmittel abzuziehen. Das maximale Unterdruckpotenzial des Ejektors 28' (in 3 bis 5 dargestellt) überschreitet 5 psid bei dem 12 psig Einlasswasserdruck, wodurch eine Marge geschaffen wird, um Gase bei dem Unterdruckniveau des Systems zu pumpen. Der Druckabfall des flüssigen Kühlmittels über den Separator/Speicher 130 ist etwa 0,1 psi, so dass der gemessene Druck am Einlass der Kühlmittelpumpe 24' –5,1 psig ist. Die Pumpte 24' bietet eine Druckunterstützung bzw. eine Differenz (psid) von etwa 17,1 psi, so dass der in den Bewegungseinlass des Ejektors 28' eintretende Kühlmitteldruck +12,0 psig beträgt. Dies reicht aus, um den benötigten Unterdruck am Saugeinlass des Ejektors zu erzeugen. Erhöhen des Einlassdrucks am Bewegungseinlass des Ejektors 28' verstärkt ebenfalls den Unterdruck, falls eine erhöhte Pumpt-Marge notwendig ist. Der Ausstoß vom Ejektor 28' wird zum Separator/Speicher 30' geleitet, wo der Druck wieder bei Umgebungsdruck ist. Spül-Luft spült die abgetrennten Luft-Gase vom Kühlmittelsystem, und das Kühlmittel wird wieder verwertet. Darüber hinaus ist der Hauptdurchfluss von flüssigem Kühlmittel von der Pumpe 24' zum Separator/Speicher 30' über den Wärmetauscher 38, über welchen der Druck 12 psi auf Umgebungsdruck abfüllt.It will be up now 7 Reference is made to understand the representative pressure increases and losses occurring around a typical coolant circuit 14 a fuel cell power generation system 10 ' which incorporates the features of the present invention. The coolant circuit 14 operates at near ambient pressures, with areas of the circuit a few psig above ambient pressure and areas a few psig below ambient. The print plan of 7 is exclusively for coolant pressure increases and decreases in the fuel treatment branch. The coolant pump 24 ' and the mechanism for gas-liquid transport, separation and storage are shown here as operating between about -5.0 psig and + 12.0 psig, but slightly wider or narrower ranges are possible. The pressure of the liquid coolant and the purged air at the outlets of the separator storage 30 ' serves as the reference pressure of the environment or 0 psig. Along the flow of the coolant circuit 14 toward the cell stack assembly 12 Subsequently, the coolant undergoes a 1.5 psi reduction (psid) via the adjustment valve 37 , A drop of 0.5 psig occurs via the isolation valve 82 instead of. The pressure drop across the coolant area 22 the cell stack assembly 12 is about 2.5 psi, and another 0.5 psi drop is over the isolation valve 84 instead of. At this point, the pressure has dropped 5.0 psi so that the coolant system pressure here is -5.0 psi. The gas-liquid coolant mixture of the cell stack assembly 12 is then through the air trap separator / memory 130 directed where it is necessary that the negative pressure at the suction inlet of the ejector 28 ' is built so that it is sufficient to withdraw gas from the coolant. The maximum negative pressure potential of the ejector 28 ' (in 3 to 5 shown) exceeds 5 psid at the 12 psig inlet water pressure, creating a margin to pump gases at the system vacuum level. The pressure drop of the liquid coolant over the separator / storage 130 is about 0.1 psi, so the measured pressure at the inlet of the coolant pump 24 ' -5.1 psig. The pump 24 ' provides a pressure assist or difference (psid) of about 17.1 psi, allowing it to enter the motion inlet of the ejector 28 ' entering coolant pressure is +12.0 psig. This is sufficient to produce the required negative pressure at the suction inlet of the ejector. Increasing the inlet pressure at the ejector's inlet 28 ' also increases the negative pressure, if an increased pumping margin is necessary. The ejection from the ejector 28 ' becomes the separator / storage 30 ' where the pressure is at ambient pressure again. Purge air purifies the separated air gases from the coolant system and the coolant is recycled. In addition, the main flow of liquid coolant from the pump 24 ' to the separator / storage 30 ' over the heat exchanger 38 over which the pressure fills 12 psi to ambient pressure.

Obwohl die Erfindung beschrieben und dargestellt wurde in Bezug auf ihre beispielhaften Ausführungsformen, verstehen Fachleute, dass die vorangehenden und verschiedene andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen gemacht werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise sind, obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Unterdruckpumpe 28 der 1 ein Ejektor 28' ist, andere Mechanismen vom Unterdrucktyp, z.B. Membranpumpen und ähnliche, innerhalb des Bereichs der Erfindung. Obwohl ein Zentrifugalseparator/Akkumulator 30' und/oder ein Luftfallen- (bubble trap) Separator/Speicher 130 bevorzugte Beispiele waren, sind gleichermaßen andere Separatoren und/oder Akkumulatoren, seien sie kombiniert oder nicht, innerhalb des Umfangs.Although the invention has been described and illustrated with respect to exemplary embodiments thereof, those skilled in the art will understand that the foregoing and various other changes, omissions and additions may be made without departing from the scope of the invention. For example, although the preferred embodiment is the vacuum pump 28 of the 1 an ejector 28 ' Other vacuum type mechanisms, such as diaphragm pumps and the like, are within the scope of the invention. Although a centrifugal separator / accumulator 30 ' and / or a bubble trap separator / store 130 preferred examples are the same Separators and / or accumulators, whether combined or not, are within the scope.

ZusammenfassungSummary

Ein System und Verfahren zum Management von Wasserkühlmittel im Kühlmittelkreislauf (14) eines PEM-Brennstoffzellensystems (10) werden bereitgestellt. Eine Gas-Flüssigkeitstrennungseinrichtung (26) dient dazu, effizient flüssiges Kühlmittel enthaltende Gase zu transportieren und Gase vom flüssigen Kühlmittel zu trennen. Das flüssige Kühlmittel, von welchem Gase entfernt wurden, wird dann durch den Flüssigkeitskreislauf durch eine konventionelle Pumpe (24) transportiert. Eine Unterdruckpumpe (28), z.B. ein Flüssigkeitsejektor (28'), welche mit der Gas-Flüssigkeitstrenneinrichtung (26) verbunden ist, dient dazu, Fluide in der Gasphase und/oder Gas-Flüssigkeitsphase zu transportieren und die Entgasung des flüssigen Kühlmittels zu unterstützen. Der Ejektor stößt in Richtung eines Separators/Speichers (30; 30') aus, was die Trennung von Gasen von flüssigem Kühlmittel weiter unterstützt.A system and method for managing coolant in the coolant circuit ( 14 ) of a PEM fuel cell system ( 10 ) are provided. A gas-liquid separation device ( 26 ) serves to efficiently transport liquid coolant containing gases and to separate gases from the liquid coolant. The liquid coolant from which gases have been removed is then passed through the fluid circuit by a conventional pump ( 24 ). A vacuum pump ( 28 ), eg a liquid ejector ( 28 ' ), which with the gas-liquid separator ( 26 ) is used to transport fluids in the gas phase and / or gas-liquid phase and to assist the degassing of the liquid coolant. The ejector pushes in the direction of a separator / storage ( 30 ; 30 ' ), which further supports the separation of gases from liquid coolant.

Claims

Coolant Management System for a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cell Power Generation System ( 10 ), comprising: a. a PEM fuel cell stack assembly ( 12 ) with an anode region ( 18 ) for taking up supply of fuel reactant, a cathode region ( 20 ) for taking up supply of oxidant reactant and a cooler ( 22 ) with an inlet ( 27 ) for receiving a supply of liquid coolant and an outlet ( 29 ) for discharging the coolant; and b. a coolant circuit ( 14 ), which with the cooler inlet ( 27 ) and outlet ( 29 ) is connected to liquid coolant to, through and from the radiator ( 22 ) of the cell stack assembly, wherein the liquid coolant entrained and / or dissolved therein gas during the flow through the radiator ( 22 ) receives the cell stack assembly and thus forms a gas-liquid coolant mixture, wherein the coolant circuit ( 14 ): i. a liquid pump ( 24 ; 24 ' ) with an inlet ( 23 ; 23 ' ) and an outlet ( 25 ; 25 ' ) for generating an increase in pressure across the pump, and for substantially pumping only liquid coolant therethrough; and ii. a separation device ( 26 ; 26 '; 26 '' ), which with the coolant circuit ( 14 ) between the cell stack assembly coolant area outlet ( 29 ) and the pump inlet ( 23 ; 23 ' ) to separate gas from the gas-liquid coolant mixture ( 30 ; 30 '; 130 ; 28 ; 28 ' ), after the gas separation to store the liquid coolant ( 30 ; 30 '; 130 ) and essentially only the liquid coolant to the pump inlet ( 23 ; 23 ' ), the separation device ( 26 ; 26 '; 26 '' ) a vacuum device ( 28 ; 28 ' ), which with the coolant circuit ( 14 ) is connected in a region of the gas-liquid coolant mixture to promote the transport of at least the gas for separating the gas from the gas-liquid coolant mixture.

Coolant management system according to claim 1, wherein the vacuum device comprises an ejector ( 28 ' ) having.

Coolant management system according to claim 2, wherein the ejector ( 28 ' ) a movement inlet ( 56 ), a suction inlet ( 58 ) and an ejection outlet ( 60 ), and wherein the movement inlet ( 56 ) with the coolant circuit ( 14 ) is connected to receive substantially only liquid coolant, and the suction inlet ( 58 ) with the coolant circuit ( 14 ) in a region of the gas-liquid coolant mixture to transport at least the gas of the mixture.

Coolant management system according to claim 3, wherein the ejector suction inlet ( 58 ) to receive and pass the gas-liquid coolant mixture therethrough.

Coolant management system according to claim 3, in which the separation device ( 26 ; 26 '' ) a first separation / storage device ( 30 ; 130 ) for separating gas from liquid in the gas-liquid coolant mixture and for storing the separated liquid coolant, and wherein the ejector suction inlet ( 58 ) with the first separation / storage device ( 30 ; 130 ) to substantially receive and pass only the gas from the gas-liquid refrigerant mixture, the liquid pump 24 ' ) is connected to substantially only liquid from the first separation / storage device ( 30 ; 130 ) and the ejector motion inlet ( 56 ) is connected to substantially only liquid coolant from the liquid pump ( 24 ' ).

A coolant management system according to claim 5, wherein said first separation / storage means ( 30 ; 130 ) an air trap separator / storage ( 130 ) having.

Coolant management system according to claim 5, in which the separation device ( 26 ; 26 '' ) further comprises a second separation / storage means for further separating gas from liquid in the gas-liquid refrigerant mixture and for storing the separated liquid refrigerant, and wherein the ejector discharge outlet (16) 60 ) is connected to the second separation / Spei facility ( 30 ' ).

A coolant management system according to claim 7, wherein said second separation / storage means (16) 30 ' ) a centrifugal separator / storage ( 30 ' ) having.

Method for coolant management system for a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell power generation system ( 10 ) with a PEM fuel cell stack assembly ( 12 ), comprising a cooler ( 22 ) with an inlet ( 27 ) for receiving a supply of liquid coolant and an outlet ( 29 ) for discharging the coolant and a coolant circuit ( 14 ), which with the cooler inlet ( 27 ) and the radiator outlet ( 29 ), comprising the following steps: a) Pumps ( 24 ) of liquid coolant at a location in the coolant circuit ( 14 ) in front of the radiator inlet ( 27 ), wherein the liquid coolant through the cell stack assembly cooler ( 22 ), wherein the liquid refrigerant entrains entrained and / or dissolved therein gas and forms a gas-liquid coolant mixture, which the cooler outlet ( 29 ) leaves; b) Disconnect ( 26 ; 26 ' ) of gas from the gas-liquid coolant mixture at a location in the coolant circuit ( 14 ) between the radiator outlet ( 29 ) and the point of pumping ( 24 ) of liquid coolant from step a., whereby the liquid coolant is degassed; c) storing the degassed liquid coolant resulting from separation step b); and d) supplying the degassed liquid coolant as at least a portion of the liquid coolant for the pumping step a).

The method of claim 9, wherein the step of separating ( 26 ; 26 ' ) of gas from the gas-liquid coolant mixture, the step of the vacuum pumping ( 28 ; 28 ' ) of at least gas from the gas-liquid coolant mixture to assist at least the transport of fluid in the gas phase.

Method according to claim 10, wherein the step of vacuum pumping ( 28 ; 28 ' ) also supports the separation of gas from the gas-liquid coolant mixture.

Method according to Claim 10, in which the coolant circuit ( 14 ) an ejector ( 28 ' ) with a movement inlet ( 26 ) and a suction inlet ( 58 ) and the step of vacuum pumping includes the steps of also providing the degassed liquid coolant to the ejector motion inlet ( 56 ) to a relative negative pressure at Ejektorsaugeinlass ( 58 ) and the step of connecting the ejector suction inlet ( 58 ) with the gas-liquid coolant mixture in the coolant circuit ( 14 ), whereby the relative negative pressure transports at least fluid in the gas phase.